基于仿生組裝的mems矢量水面?zhèn)鞲衅?/p>

簇中的傳感器不僅可以同時測量聲壓信號和振動信號，而且具有相同的帶寬-光譜電子指向性。在動態(tài)測量系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和譜率，人們對儀器的測量和譜進(jìn)行了大量的開發(fā)。因此，國內(nèi)外研究人員越來越重視縣志噪聲檢測。為了滿足岸站建設(shè)的需要，實現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測和識別，低頻檢測能力越來越重要。與此同時，隨著目標(biāo)信號的減弱和高靈敏度檢測的迫切需要。目前，高靈敏度傳感器的主要問題是：1。應(yīng)用于高靈敏度；低頻檢測；量化噪聲源傳感器的規(guī)模問題；噪聲干擾等。以上問題可以以微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanicalsystem,MEMS)技術(shù)平臺為依托,利用仿生學(xué)理論和壓阻原理,通過開發(fā)新型傳感器的仿生制造技術(shù)以及仿生微系統(tǒng)的集成技術(shù)得到解決.近年來,在MEMS仿生器件研究方面,國外已有多家研究機(jī)構(gòu)通過模仿魚類側(cè)線器官、蟋蟀的聽覺纖毛等,設(shè)計并制造出了多種壓電式、壓阻式以及電容式的MEMS纖毛仿生微傳感器,如德國的Nesterov和Brand于2005年研制出了壓阻式MEMS仿生微探測器,美國伊利諾斯州立大學(xué)微米納米技術(shù)研究中心的Chen等于2006年通過模仿魚類的側(cè)線器官工作原理,研制出了纖毛式MEMS仿生微流量傳感器.荷蘭的Krijnen等在2006年通過模仿蟋蟀的聽覺纖毛,制作出了纖毛式仿生微聲傳感器.然而,國內(nèi)關(guān)于纖毛式仿生MEMS傳感器的研究還比較少,而且國外的纖毛仿生傳感器也主要為微觸覺傳感器或微流量傳感器,關(guān)于纖毛式的仿生MEMS水聲傳感器還未見報道.基于此,筆者通過模仿魚類側(cè)線器官的神經(jīng)丘感覺器,完成了以壓敏電阻為敏感單元的水聲傳感器仿生組裝設(shè)計.利用新型精巧的仿生結(jié)構(gòu)和壓阻敏感機(jī)理設(shè)計制作新型的矢量水聲傳感器;利用MEMS批量制造技術(shù),實現(xiàn)矢量水聲傳感器的小型化和一致性;結(jié)合MEMS工藝和組裝工藝技術(shù),解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿生制造問題.期望在矢量水聲傳感器的低頻特性、靈敏度、小尺寸以及水聲傳感器的一致性等方面帶來好處,為水聲傳感器的設(shè)計提供一種新方法.1基本理論1.1魚類嘴唇下的感悟傳導(dǎo)途徑高度特化的皮膚感覺器官-側(cè)線器官,是水生兩棲動物及魚類所特有的聽覺器官.側(cè)線呈溝狀或管狀,魚類身體兩側(cè)一般各有1條側(cè)線,少數(shù)魚類每側(cè)有2條或更多條.側(cè)線主管形成很多小管分支至體外開孔,在體側(cè)即形成側(cè)線,在兩分支小管之間,每一段主管管壁上分布有呈節(jié)狀的神經(jīng)丘感覺器(如圖1所示),這些神經(jīng)丘感覺器浸潤在充滿黏液的側(cè)線管內(nèi).神經(jīng)丘是皮膚感覺器官的基本單位,由幾個感覺細(xì)胞和一些支撐細(xì)胞組成.感覺細(xì)胞低于四周的支持細(xì)胞.每一感覺細(xì)胞上都有1根粗而長的動毛和數(shù)根細(xì)而短的不動毛.支持細(xì)胞的分泌物在感覺器外表凝結(jié)成一長的膠質(zhì)頂,即感覺頂,感覺纖毛則被包藏在頂?shù)膬?nèi)部.側(cè)線器官的管壁上由帶纖毛的感覺細(xì)胞和支撐細(xì)胞組成,感覺細(xì)胞主要起觸覺感受器和振動感受器的作用.感覺細(xì)胞上的神經(jīng)末稍通過側(cè)線神經(jīng)而聯(lián)接于延腦發(fā)出的迷走神經(jīng).神經(jīng)丘浸潤在黏液中,不論是水內(nèi)還是水外的聲波、振動波等外力作用于水,都可使水的壓力產(chǎn)生變化,這種壓力通過側(cè)線孔進(jìn)入管內(nèi),傳遞于黏液,引起黏液流動;再由黏液傳遞到神經(jīng)丘,引起感覺頂發(fā)生偏斜,通過感覺頂內(nèi)的黏液流動,使得可動纖毛也發(fā)生偏斜,從而使感覺細(xì)胞獲得刺激;刺激通過感覺神經(jīng)纖維,經(jīng)側(cè)線神經(jīng)傳遞到延腦.這就是魚類側(cè)線器官的感覺傳導(dǎo)途徑,如圖2所示.魚類側(cè)線器官的主要作用是:①確定方位;②感覺水流;③感受低頻率聲波;④輔助趨流性定向.它可以感知水壓大小、水流速度、水流方向、水中物體的位置和其他各種變化,還能感受水下低頻聲波.魚類在捕食、逃避敵害與求偶產(chǎn)卵活動中,都有賴于側(cè)線對振動的感覺作用.魚類側(cè)線這一特殊聽覺器官為設(shè)計具有定向性的水聲傳感器提供了原型.1.2水平面的夾角由聲學(xué)理論可知,平面波聲壓可表示為p(r,t)=p0ej(kr-wt)=p0exp[j(kxcosαcosθ+kycosαsinθ+kzsinα-wt)](1)式中:p0為聲壓幅值;r為柱形矢量水聲傳感器的外殼半徑;t為時間;k為波矢量,表示聲波傳播的方向;α為k與水平面的夾角,取值范圍為[-π/2?π/2][?π/2?π/2];θ為k在水平面內(nèi)的投影與x軸的夾角,取值范圍為[0,2π];k為波矢量k的值,k=ω/c,ω為聲波的角頻率,c為介質(zhì)的聲速.在均勻介質(zhì)中,聲場的運動方程為?v?t+1ρ0?p=0(2)式中v為質(zhì)點振速.將式(2)代入式(1),得ˉv=p0ρ0c(ξcosθcosα+ηsinθcosα+τsinα)(3)式中ξ、η、τ是x、y和z軸上的單位矢量.式(3)表明,平面波的聲壓與質(zhì)點振速3分量之間僅差一個常數(shù),兩者的波形是一樣的,因而對平面波來說,聲壓與振速是完全相關(guān)的.由式(3)可得質(zhì)點振速的3個分量為{vx=pρ0ccosθcosαvy=pρ0csinθcosαvz=pρ0csinα(4)因此θ=arctan(vyvx)(5)由此可見,只要測得質(zhì)點振速在水平面內(nèi)的2個分量vx和vy,就可以由式(5)得到聲源在水平面內(nèi)的方位角θ.以上所述即為矢量水聲傳感器的定向探測理論.2用微機(jī)械技術(shù)制作剛硬塑料柱體纖毛式MEMS矢量水聲傳感器的仿生微結(jié)構(gòu)包括兩部分:高精度四梁-中心連接體微結(jié)構(gòu)和剛硬塑料柱體.將剛硬塑料柱體和壓敏電阻分別模仿成魚類側(cè)線器官的可動纖毛以及感覺細(xì)胞,并將剛硬塑料柱體固定于四梁-中心連接體的中央(即四梁交叉處),壓阻敏感單元分別設(shè)置于四梁的邊緣處.其中,四梁-中心連接體采用MEMS基硅微機(jī)械加工技術(shù)加工而成,剛硬塑料柱體則采用塑料成型技術(shù)制作而成.加工出的四梁-中心連接體微結(jié)構(gòu)實物照片及其SEM圖如圖3所示.當(dāng)四梁-中心連接體加工好以后,便可以進(jìn)行剛硬塑料柱體的粘接.柱體的粘接原理及現(xiàn)場照片如圖4所示.如圖4所示,開動抽氣吹氣泵的抽氣按鈕,將加工好的剛硬塑料柱體吸住;調(diào)節(jié)光學(xué)器件CCD及臺燈,使四梁微結(jié)構(gòu)的中心連接體正好出現(xiàn)在顯示屏幕中;調(diào)節(jié)三維調(diào)控的平臺,使得剛硬塑料柱體也正好處在中心連接體中心的正上方;在剛硬塑料柱體的端部涂上液體膠;開動抽氣吹氣泵的吹氣按鈕,使得柱體正好輕輕落在中心連接體的正中央;約30s后,向上調(diào)節(jié)三維調(diào)控平臺,使其與柱體分開;至此,剛硬塑料柱體已牢牢粘接在四梁-中心連接體的正中央部位,粘接好的仿生微結(jié)構(gòu)實物圖如圖5所示.由于柱體是否在中心連接體的正中央直接決定著傳感器的指向性的對稱性.因此在柱體粘接過程中,一定要保證x軸與y軸保持正交幾何關(guān)系.該仿生微結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)水平面內(nèi)的信號(如加速度信號)探測.3mems矢量的傳感器組裝水聲傳感器的仿生組裝原理及過程如圖6和圖7所示,將透聲橡膠帽、蓖麻油、剛硬塑料柱體、壓敏電阻、金屬導(dǎo)線分別模仿成魚類側(cè)線器官的感覺頂、感覺頂內(nèi)部的黏液、可動纖毛、感覺細(xì)胞以及神經(jīng)纖維.因此,當(dāng)有水下聲信號作用于傳感器的透聲橡膠帽(感覺頂)時,透聲橡膠帽(感覺頂)將會通過蓖麻油(黏液)把相應(yīng)的聲音信號傳遞給剛硬塑料柱體(可動纖毛),剛硬塑料柱體與其所處的介質(zhì)質(zhì)點同振,從而將感受到的聲信號傳遞給壓阻敏感單元(感覺細(xì)胞),使梁產(chǎn)生應(yīng)力變化,植入其上的壓敏電阻的電阻值便發(fā)生變化.通過金屬導(dǎo)線(神經(jīng)纖維)以及相應(yīng)的電路信號檢測單元,即可以實現(xiàn)水下水平面內(nèi)聲信號的矢量探測.傳感器的仿生感覺傳導(dǎo)途徑如圖8所示.傳感器的組裝結(jié)構(gòu)如圖9所示.設(shè)計出的傳感器組裝外殼如圖10所示.它通過防水密封圈將A、B兩部分連接起來.其內(nèi)部支持體由具有良好絕緣特性的合成橡膠制作而成.其外部支持體采用鋁合金材料加工而成,該材料不但具有良好的耐腐蝕特性,而且不易沾染污垢,適合水底下的長期測試.一般對于100kHz以下的水聲傳感器且不要求常年在水中浸泡工作時,常采用低衰減低滲水聚氨酯橡膠作為透聲材料,它是一種具有良好透聲性能和機(jī)械性能、低透水和耐海水浸泡性能的密封材料.筆者設(shè)計制作的聚氨酯橡膠帽加工模具及加工實物照片如圖11所示.該透聲帽可以很好地解決耐水、耐壓和微結(jié)構(gòu)的密封等問題.其內(nèi)徑與圖10中金屬外殼密封槽的內(nèi)徑相同,其外徑則小于金屬外殼的外徑.具體的組裝方法如下所述.(1)焊接好如圖5所示的傳感器仿生微結(jié)構(gòu)的輸出導(dǎo)線,將其固定在組裝外殼的內(nèi)部支撐體上,如圖12所示.(2)將配好的聚氨酯材料導(dǎo)入組裝殼的密封槽中(倒入的聚氨酯材料約為槽深的2/3),然后將加工好的聚氨酯橡膠帽插在有聚氨酯材料的密封槽中,加熱至橡膠帽被固定,如圖13所示(加工的橡膠帽有黑色和白色兩種,為了更清晰地顯示傳感器內(nèi)部的微結(jié)構(gòu),該圖片選用透明的透聲帽).(3)為了保證剛硬柱體與水質(zhì)點同振,通過注油孔(見圖10(a))在密封好的透聲橡膠帽內(nèi)注滿與水密度接近而又絕緣的蓖麻油,其與水的物理參數(shù)如表1所示.從表中可以看出,兩者無論是密度、波速還是特性阻抗都非常接近.(4)待透聲橡膠帽內(nèi)的蓖麻油灌滿之后,對電纜進(jìn)行處理.首先將電纜灌封部分用砂紙打毛,除去粉末,然后用酒精或汽油清洗,晾干.(5)將端部已經(jīng)打毛處理干凈的電纜與仿生微結(jié)構(gòu)的內(nèi)部引出線焊接在一起.將注油口及金屬電纜出口密封.圖14為纖毛式MEMS矢量水聲傳感器的模型樣機(jī).4仿生傳感器的設(shè)計采用矢量水聲傳感器的校準(zhǔn)裝置對纖毛式MEMS矢量水聲傳感器進(jìn)行了測試.圖15為聲源的發(fā)射波形和仿生矢量水聲傳感器的接收波形.圖16為傳感器單軸方向(x方向)的指向性能圖.由測試結(jié)果可知:該水聲傳感器的聲壓靈敏度達(dá)到-197.7dB(0dB=1V/μΡa).傳感器